【正文】 n鋼鐵冶煉工藝 內 容 簡 介本書共分13章，系統(tǒng)地介紹了冶煉概述、高爐原燃料、高爐冶煉原理、高爐冶煉工藝、高爐爐況判斷及爐況異常的處理、高爐技術的發(fā)展、煉鋼原材料、煉鋼基本原理、鐵水預處理、轉爐煉鋼工藝、轉爐爐襯材料及維護、電爐冶煉工藝、煉鋼技術的發(fā)展等內容，較全面地反映了目前國內外鋼鐵冶煉新技術、新工藝及發(fā)展趨勢等。書中每章均附有復習思考題，十分適合教學使用。本書為高等職業(yè)院校冶金專業(yè)學生的教學用書，也可作為冶金企業(yè)進行職工培訓的教材和供冶金工程技術人員參考。前 言本書是根據(jù)職業(yè)技術院校冶金技術專業(yè)“鋼鐵冶煉工藝”課程教學基本要求編寫的教學用書，是在充分了解我國鋼鐵工業(yè)生產現(xiàn)狀、分析了煉鐵煉鋼崗位能力要求的基礎上，精選內容編寫而成。全書以煉鐵、煉鋼的生產工藝為主線，也兼顧基本原理，突出生產現(xiàn)場實際應用性。書中系統(tǒng)地介紹了高爐原燃料、高爐冶煉原理、高爐冶煉工藝、高爐爐況判斷及爐況異常的處理、高爐技術的發(fā)展、煉鋼原材料、煉鋼基本原理、鐵水預處理、轉爐煉鋼工藝、轉爐爐襯材料及維護、電爐冶煉工藝、煉鋼技術的發(fā)展等內容，較全面地反映了目前國內外鋼鐵冶煉新技術、新工藝及發(fā)展趨勢等。本書也可作為冶金企業(yè)進行職工培訓的教材和供冶金工程技術人員參考。 本書由武漢工程職業(yè)技術學院陳勝清、周秋松主編，王展宏主審。 由于時間倉促，加之編者水平所限，書中不足之處，敬請讀者批評指正。編 作者2006年12月目錄252 / 252第一章 概述【本章學習要點】本章學習煉鐵、煉鋼工業(yè)的發(fā)展簡史，煉鐵產品及煉鐵技術經(jīng)濟指標，鐵和鋼的區(qū)別，煉鋼的基本任務和煉鋼技術經(jīng)濟指標。一、鋼鐵工業(yè)發(fā)展簡史 我國煉鐵工業(yè)的發(fā)展簡史 我國是世界上用鐵最早的國家之一。 我國古代冶煉技術有過輝煌的歷史。早在2500年前的春秋、戰(zhàn)國時期，就已生產和使用鐵器，逐步由青銅時代過渡到鐵器時代。公元前513年，趙國鑄的“刑鼎”就是我國掌握冶煉液態(tài)鐵和鑄造技術的見證。而歐洲各國推遲到14世紀才煉出液態(tài)生鐵。 冶煉技術在我國的發(fā)展，表現(xiàn)了我國古代勞動人民的偉大創(chuàng)造力，有力地促進了我國封建社會的經(jīng)濟繁榮。歐洲的冶煉技術也是從中國輸入的。但是，到了l8世紀，特別是腐朽的清王朝，煉鐵業(yè)和其他行業(yè)一樣發(fā)展非常緩慢。與此同時，歐洲爆發(fā)了工業(yè)革命。19世紀英國和俄國首先把高爐鼓風動力改為蒸汽機，使煉鐵爐的規(guī)模不斷擴大。不久英國又用高爐煤氣把鼓風預熱，逐漸產生了現(xiàn)代高爐的雛形。當高爐生產向著大型化、機械化、電氣化方向發(fā)展，冶煉技術不斷完善的時候，中國卻正處在落后的封建統(tǒng)治時代，發(fā)展遲緩，一直到19世紀末，不得不轉而從歐洲輸入近代煉鐵技術。 1891年，清末洋務派首領張之洞首次在漢陽建造了兩座日產lOOt生鐵的高爐，邁出了我國近代煉鐵的第一步。之后，先后在鞍山、本溪、石景山、太原、馬鞍山、唐山等地修建了高爐。l943年是我國解放前鋼鐵產量最高的一年(包括東三省在內)，生鐵產量180萬t，鋼產量90萬t，居世界第十六位。后來由于戰(zhàn)爭的破壞，到了1949年，生鐵年產量僅為25萬t。 新中國成立后，我國于l953年生鐵產量就達到了190萬t，當時超過了歷史最高水平。1957年生鐵產量達到了597萬t，高爐利用系數(shù)達到了l．321，我國在這一指標上跨入世界先進行列()。1958年生鐵產量為l364萬t，1978年突破了3000萬t，1988年達到了6000萬t，1993年生鐵產量為8000萬t，躍居世界第二位，1995年生鐵產量為1億t，居世界第一位。，2005年生鐵產量約3億t。現(xiàn)代煉鋼方法及其發(fā)展趨勢從1855年英國冶金學家亨利貝塞麥發(fā)明酸性空氣底吹轉爐煉鋼方法至今，現(xiàn)代煉鋼生產在不斷探索中發(fā)展了一個半世紀。 現(xiàn)代煉鋼方法主要有氧氣轉爐煉鋼法、電爐煉鋼法。平爐煉鋼法由于用重油、成本高、冶煉周期長、熱效率低等致命弱點，已基本上被淘汰。氧氣轉爐煉鋼法以氧氣頂吹轉爐煉鋼法為主，同時還有底吹氧氣轉爐煉鋼法、頂?shù)讖秃洗禑捬鯕廪D爐煉鋼法。l996年我國鋼產量已達到一億多噸，其中氧氣轉爐煉鋼法所煉鋼約占70％。，其中氧氣轉爐煉鋼法所煉鋼約占75％。電爐煉鋼法以交流電弧爐煉鋼為主，同時也有少部分直流電弧爐煉鋼、感應爐煉鋼及電渣重熔等?？v觀國內外煉鋼方法的發(fā)展，以上三種主要煉鋼方法的總發(fā)展趨勢是：轉爐煉鋼法大力發(fā)展，成為最主要的煉鋼方法；電爐煉鋼法穩(wěn)步發(fā)展、長興不衰；平爐煉鋼法則被淘汰。目前煉鋼的生產流程主要有以下兩種：鐵水→鐵水預處理→氧氣轉爐→初煉鋼水→爐外精煉→連鑄機→連鑄坯廢鋼→電弧爐→初煉鋼水→爐外精煉→連鑄機→連鑄坯二、高爐冶煉產品高爐冶煉過程是一系列復雜的物理化學過程的總和。有爐料的揮發(fā)與分解，鐵氧化物和其他物質的還原，生鐵與爐渣的形成，燃料燃燒，熱交換和爐料與煤氣運動等。這些過程不是單獨進行的，而是在相互制約下數(shù)個過程同時進行的?；具^程是燃料在爐缸風口前燃燒形成高溫還原煤氣，煤氣不停地向上運動，與不斷下降的爐料相互作用，其溫度、數(shù)量和化學成分逐漸發(fā)生變化，最后從爐頂逸出爐外。爐料在不斷下降過程中，由于受到高溫還原煤氣的加熱和化學作用，其物理形態(tài)和化學成分逐漸發(fā)生變化，最后在爐缸里形成液態(tài)渣鐵，從渣鐵口排出爐外。 高爐冶煉的主要產品是生鐵，副產品是爐渣、煤氣和一定量的爐塵(瓦斯灰)。 1．生鐵 生鐵組成以鐵為主，此外含碳質量分數(shù)為2．5％～4．5％，并有少量的硅、錳、磷、硫等元素。生鐵質硬而脆，缺乏韌性，不能延壓成型，機械加工性能及焊接性能不好，但含硅高的生鐵(灰口鐵)的鑄造及切削性能良好。生鐵按用途又可分為普通生鐵和合金生鐵，前者包括煉鋼生鐵和鑄造生鐵，后者主要是錳鐵和硅鐵。合金生鐵作為煉鋼的輔助材料，如脫氧劑、合金元素添加劑。普通生鐵占高爐冶煉產品的98％以上，而煉鋼生鐵又占我國目前普通生鐵的80％以上，隨著工業(yè)化水平的提高，這個比例還將繼續(xù)提高。我國現(xiàn)行生鐵標準如下表所示。表11 煉鋼生鐵國家標準(GB 717—82) 表12鑄造生鐵國家標準(GB 718—82) 2．爐渣爐渣是高爐冶煉的副產品。礦石中的脈石和熔劑、燃料灰分等熔化后組成爐渣，其主要成分為Ca0、Mg0、Si0Al203及少量的Mn0、Fe0、S等。爐渣有許多用途，常用做水泥原料及隔熱、建材、鋪路等材料。每噸生鐵的爐渣量由過去的7001000kg，降低至l50300kg。3．煤氣高爐煤氣的化學成分為C0、C0HN2及少量的CH4。由于煤氣中含有可燃成分C0、H2和CH4,經(jīng)除塵脫水后作為燃料，其發(fā)熱值約(800～900)／m3 隨著高爐能量利用的改善而降低，每噸鐵可產煤氣2000～3000m3。 高爐煤氣是無色、無味的氣體，有毒易爆炸。應加強煤氣的使用管理。 4．爐塵 爐塵是隨高爐煤氣逸出的細粒爐料，經(jīng)除塵處理與煤氣分離。爐塵含鐵、碳、Ca0等有用物質，可作為燒結的原料，每噸鐵產爐塵為l0～100kg，爐塵隨著原料條件的改善而減少。 三、 高爐生產主要技術經(jīng)濟指標高爐生產的技術水平和經(jīng)濟效果可以用技術經(jīng)濟指標來衡量。其主要技術經(jīng)濟指標有以下各項。 1．高爐有效容積利用系數(shù)（） 式中 ——每立方米高爐有效容積在一晝夜內生產鐵的噸數(shù)； P——高爐一晝夜生產的合格生鐵； ——高爐有效容積，指爐缸、爐腹、爐腰、爐身、爐喉五段之和。 高爐有效容積利用系數(shù)是衡量高爐生產強化程度的指標。越高，高爐生產率越高，每天所產生鐵越多。目前我國高爐有效容積利用系數(shù)為(1．8～2．5)t／(m3d)，高的可達3．0t／(m3d)以上。2．焦比(K)和燃料比(Kf)式中 K—— 生產一噸生鐵消耗的焦炭量； Q——高爐一晝夜消耗的干焦量。式中 ——冶煉一噸生鐵消耗的焦炭和噴吹燃料的數(shù)量之和； 　——高爐一晝夜消耗的干焦量和噴吹燃料之和。 如果只計算某種噴吹燃料的消耗，則分別表示煤比(M——每噸生鐵消耗的煤粉量)、油比(Y——每噸生鐵消耗的重油量)等。 焦比和燃料比是衡量高爐物資消耗，特別是能耗的重要指標，它對生鐵成本的影響最大，因此降低焦比和燃料比始終是高爐操作者努力的方向。目前我國噴吹高爐的焦比一般低于450kg／t，燃料比小于550kg／t。 先進高爐焦比已小于400kg／t，燃料比約450kg／t。將燃料也折合成焦炭計算出的總焦炭量為綜合焦比。3：冶煉強度(Ｉ)式中　　Ｉ一每晝夜每立方米高爐有效容積燃燒的焦炭量。當高爐噴吹燃料時，每晝夜每立方米高爐有效容積消耗的燃料總量，稱為綜合冶煉強度()，即： 計算冶煉強度要扣除休風時間。冶煉強度是表示高爐生產強化程度的指標，它取決于高爐所能接受的風量，鼓入高爐的風量越多，冶煉強度越高。 利用系數(shù)、焦比和冶煉強度之間的關系(當休風時間為零、不噴吹燃料時)為： 冶煉強度和焦比均影響利用系數(shù)，當采用某一技術措施后，若冶煉強度增加而焦比又降低時，可使利用系數(shù)得到最大程度的提高。 4．生鐵合格率 化學成分符合國家標準的生鐵為合格生鐵。合格生鐵占高爐總產量的百分數(shù)為生鐵合格率，即： 生鐵合格率是評價高爐產品質量好壞的重要指標，我國一些企業(yè)高爐生鐵合格率已達100％。 5．休風率 休風率是指休風時間占規(guī)定作業(yè)時間(日歷時間扣除計劃檢修時間)的百分數(shù)，即： 休風率反映設備管理維護和高爐的操作水平。降低休風率是高爐增產節(jié)焦的重要途徑，我國先進高爐休風率已降到l％以下。 6．生鐵成本 生鐵成本是指冶煉一噸生鐵所需的費用，包括原料、燃料、動力、工資、車間經(jīng)費等。成本受價格因素的影響較大，一般原燃料成本費占80％左右；其余20％左右為冶煉成本費，其中動力、工資、折舊、運輸費約占18％，車間經(jīng)費約占2％，副產品回收費應從成本中扣除，目前大型高爐此項回收費占成本的8％～9％。降低消耗，尤其是降低焦炭消耗是降低成本的重要內容。 7．爐齡 高爐從開爐到停爐大修之間的時間，為一代高爐的爐齡。延長爐齡是高爐工作者的重要課題，大高爐爐齡要求達到10年以上，國外大型高爐爐齡最長已達20年。 四、鋼和生鐵的主要區(qū)別鋼和生鐵都是鐵基合金，都含有碳、硅、錳、硫、磷5種元素。其主要區(qū)別見表1—3。表1—3 鋼和生鐵的主要區(qū)別 鋼和生鐵最根本的區(qū)別是含碳量不同，生鐵中ω(C)2％，鋼中ω(C)≤2％。含碳量的變化引起鐵碳合金質的變化。鋼的綜合性能，特別是機械性能(抗拉強度、韌性、塑性)比生鐵好得多，從而用途也比生鐵廣泛得多。因此，除約占生鐵總量10％的鑄造生鐵用于生產鐵鑄件外，約占生鐵總量90％的煉鋼生鐵要進一步冶煉成鋼，以滿足國民經(jīng)濟各部門的需要。 五、煉鋼的基本任務 所謂煉鋼，就是通過冶煉降低生鐵中的碳和去除有害雜質，再根據(jù)對鋼性能的要求加入適量的合金元素，使之成為具有優(yōu)良性能的鋼。 煉鋼的基本任務可歸納如下： 1)脫碳。在高溫熔融狀態(tài)下進行氧化熔煉，把生鐵中的碳氧化降低到所煉鋼號的規(guī)格范圍內，是煉鋼過程的一項最主要任務。 2)脫磷和脫硫。把生鐵中的有害雜質磷和硫降低到所煉鋼號的規(guī)格范圍內。3)去氣和去非金屬夾雜物。把熔煉過程中進入鋼液中的有害氣體(氫和氮)及非金屬夾雜物(氧化物、硫化物和硅酸鹽等)排除掉。4)脫氧與合金化。把氧化熔煉過程中生成的對鋼質有害的過量的氧(以FeO形式存在)從鋼液中排除掉；同時加入合金元素，將鋼液中的各種合金元素的含量調整到所煉鋼號的規(guī)格范圍內。 5)調溫。按照熔煉工藝的需要，適時地提高和調整鋼液溫度到出鋼溫度。 6)澆注。把熔煉好的合格鋼液澆注成一定尺寸和形狀的鋼錠或連鑄坯，以便下一步軋制成鋼材。澆注包括鑄錠或連續(xù)鑄鋼。值得強調的是，煉鋼過程主要是氧化過程。六　煉鋼生產主要技術經(jīng)濟指標1．年產量式中 n——年內工作日(24h為一個工作日)； g——每爐金屬料重量，t； a——合格鋼錠（坯）收得率，％； T——每爐平均冶煉時間，h。2．每爐鋼產量 3．作業(yè)率式中 工作日(d)=日歷時間(d)—停爐時間(d)。 4．利用系數(shù) (1)轉爐利用系數(shù)指每公稱噸位的容量每晝夜所生產的合格鋼產量，即：(2)電爐利用系數(shù)指每千千伏安變壓器容量每晝夜所生產的合格鋼錠量，即：5．每爐鋼冶煉時間6．轉爐爐齡(爐襯壽命)7．按計劃出鋼率8．鋼錠合格率9．鋼錠收得率10．原材料消耗11．電爐電耗12．復 習 思 考 題1．簡述我國煉鐵發(fā)展簡史。2．高爐冶煉的主要產品和副產品有哪些?3．高爐生產主要技術經(jīng)濟指標有哪些?4．鋼和生鐵有哪些主要區(qū)別?第二章 煉鐵原材料【本章學習要點】本章學習鐵礦石的分類及主要特性，高爐冶煉對鐵礦石的要求，鐵礦石冶煉前的準備和處理，焦碳在高爐煉鐵中的作用和對焦碳的質量要求，燒結生產原料準備和燒結生產過程，球團礦生產等。第一節(jié)　鐵礦石及其分類一、礦物、礦石和巖石地殼中的化學元素經(jīng)